材料的結(jié)構(gòu)與性能

第一章材料的結(jié)構(gòu)與凝固本章目錄1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)

1.1.1晶體結(jié)構(gòu)的基本概念

1.1.2三種常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)

1.1.3常見金屬晶體結(jié)構(gòu)的特征

1.1.4晶面、晶向及晶體的各向異性

1.1.5實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.2合金的晶體結(jié)構(gòu)

1.2.1合金概述

1.2.2固態(tài)合金的相結(jié)構(gòu)1.3非金屬材料的結(jié)構(gòu)

1.3.1高分子材料的結(jié)構(gòu)

1.3.2陶瓷材料的結(jié)構(gòu)當(dāng)前1頁(yè)，總共64頁(yè)。C60物質(zhì)由原子組成。原子的結(jié)合方式和排列方式?jīng)Q定了物質(zhì)的性能。原子、離子、分子之間的結(jié)合力稱為結(jié)合鍵。它們的具體組合狀態(tài)稱為結(jié)構(gòu)。當(dāng)前2頁(yè)，總共64頁(yè)。一、晶體結(jié)構(gòu)的基本概念金屬的結(jié)構(gòu)晶態(tài)非晶態(tài)SiO2的結(jié)構(gòu)1、晶體與非晶體(晶體結(jié)構(gòu)是指晶體內(nèi)部原子規(guī)則排列的方式)晶體是指原子呈規(guī)則排列的固體。常態(tài)下金屬主要以晶體形式存在。晶體具有各向異性。非晶體是指原子呈無序排列的固體。在一定條件下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化。當(dāng)前3頁(yè)，總共64頁(yè)。2、晶格與晶胞⑴晶格：用假想的直線將原子中心連接起來所形成的三維空間格架。直線的交點(diǎn)（原子中心）稱結(jié)點(diǎn)。由結(jié)點(diǎn)形成的空間點(diǎn)的陣列稱空間點(diǎn)陣當(dāng)前4頁(yè)，總共64頁(yè)。⑵晶胞：能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元。當(dāng)前5頁(yè)，總共64頁(yè)。當(dāng)前6頁(yè)，總共64頁(yè)。⑷晶系：根據(jù)晶胞參數(shù)不同，將晶體分為七種晶系。90%以上的金屬具有立方晶系和六方晶系。立方晶系：a=b=c，===90六方晶系：a1=a2=a3

c，==90，=120立方六方四方菱方正交單斜三斜⑶晶格常數(shù)：晶胞個(gè)邊的尺寸

a、b、c。各棱間的夾角用、、表示。當(dāng)前7頁(yè)，總共64頁(yè)。⑸原子半徑：晶胞中原子密度最大方向上相鄰原子間距的一半。⑹晶胞原子數(shù)：一個(gè)晶胞內(nèi)所包含的原子數(shù)目。⑺配位數(shù)：晶格中與任一原子距離最近且相等的原子數(shù)目。⑻致密度：晶胞中原子本身所占的體積百分?jǐn)?shù)。當(dāng)前8頁(yè)，總共64頁(yè)。二、金屬的晶體結(jié)構(gòu)1、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬原子是通過正離子與自由電子的相互作用而結(jié)合的，稱為金屬鍵。金屬原子趨向于緊密排列。價(jià)電子云正離子金屬鍵示意圖具有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、延展性及金屬光澤。常見純金屬的晶格類型有體心立方(bcc)、面心立方(fcc)和密排六方(hcp)晶格。當(dāng)前9頁(yè)，總共64頁(yè)。⑴

體心立方晶格當(dāng)前10頁(yè)，總共64頁(yè)。體心立方晶格當(dāng)前11頁(yè)，總共64頁(yè)。體心立方晶格的參數(shù)當(dāng)前12頁(yè)，總共64頁(yè)。體心立方晶格原子個(gè)數(shù)：2配位數(shù)：

8致密度：0.68常見金屬：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等晶格常數(shù)：a(a=b=c)原子半徑：當(dāng)前13頁(yè)，總共64頁(yè)。⑵面心立方晶格當(dāng)前14頁(yè)，總共64頁(yè)。面心立方晶格當(dāng)前15頁(yè)，總共64頁(yè)。面心立方晶格的參數(shù)當(dāng)前16頁(yè)，總共64頁(yè)。

a42r=：原子半徑原子個(gè)數(shù)：4配位數(shù)：

12致密度：0.74常見金屬：

-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等晶格常數(shù)：a面心立方晶格當(dāng)前17頁(yè)，總共64頁(yè)。⑶密排六方晶格當(dāng)前18頁(yè)，總共64頁(yè)。密排六方晶格的參數(shù)當(dāng)前19頁(yè)，總共64頁(yè)。a21r=：原子半徑原子個(gè)數(shù)：6配位數(shù)：

12致密度：0.74常見金屬：

Mg、Zn、Be、Cd等晶格常數(shù)：底面邊長(zhǎng)a和高c，

c/a=1.633密排六方晶格當(dāng)前20頁(yè)，總共64頁(yè)。當(dāng)前21頁(yè)，總共64頁(yè)。3.晶格的晶面和晶向（1）晶面指數(shù)及晶向指數(shù)（2）晶面及晶向的原子密度當(dāng)前22頁(yè)，總共64頁(yè)。1）晶面指數(shù)及晶向指數(shù)晶體中各種方位上的原子面叫晶面；各種方向上的原子列叫晶向。在研究金屬晶體結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)及其性能時(shí)，往往需要分析它們的各種晶面和晶向中原子分布的特點(diǎn)，因此有必要給各種晶面和晶向定出一定的符號(hào)，以表示出它們?cè)诰w中的方位或方向。晶面的這種符號(hào)叫“晶面指數(shù)”，晶向的符號(hào)叫“晶向指數(shù)”。當(dāng)前23頁(yè)，總共64頁(yè)。2)確定晶面指數(shù)的步驟如下：（1）設(shè)晶格中某一原子為原點(diǎn)，通過該點(diǎn)平行于晶胞的三棱邊作OX、OY、OZ三個(gè)坐標(biāo)軸，以晶格常數(shù)a、b、c分別作為相應(yīng)的三個(gè)坐標(biāo)軸上的量度單位，求出所需確定的晶面在三坐標(biāo)軸上的截距（見圖1.2-6）。（2）將所得三截距之值變?yōu)榈箶?shù)；（3）再將這三個(gè)倒數(shù)按比例化為最小整數(shù)，并加上一圓括號(hào)，即為晶面指數(shù)。晶面指數(shù)的一般形式用（hkl）表示。當(dāng)前24頁(yè)，總共64頁(yè)。當(dāng)前25頁(yè)，總共64頁(yè)。當(dāng)前26頁(yè)，總共64頁(yè)。晶向指數(shù)的確定方法是：（1）以格中某一原子為原點(diǎn)，通過該點(diǎn)平行于晶胞的三棱邊作OX、OY、OZ三個(gè)坐標(biāo)軸，通過坐標(biāo)原點(diǎn)引一直線，使其平行于所求的晶向；（2）求出該直線上任意一點(diǎn)的三個(gè)坐標(biāo)來；（3）將三個(gè)坐標(biāo)值按比例化為最小整數(shù)，加一方括號(hào)，即為所求的晶面指數(shù)，其一般形式為[uvw]。當(dāng)前27頁(yè)，總共64頁(yè)。當(dāng)前28頁(yè)，總共64頁(yè)。

三種常見晶格的晶面原子密度和晶向原子密度

(1)單位面積晶面上的原子數(shù)稱晶面原子密度。

(2)單位長(zhǎng)度晶向上的原子數(shù)稱晶向原子密度。

三種常見晶格的密排面和密排方向(1)原子密度最大的晶面稱密排面(2)原子密度最大的晶向稱密排方向當(dāng)前29頁(yè)，總共64頁(yè)。。密排面數(shù)量密排方向數(shù)量體心立方晶格{110}6<111>4面心立方晶格{111}4<110>6密排六方晶格六方底面1底面對(duì)角線3當(dāng)前30頁(yè)，總共64頁(yè)。三種常見晶格的密排面和密排方向六方底面底面對(duì)角線密排六方晶格面心立方晶格體心立方晶格當(dāng)前31頁(yè)，總共64頁(yè)。體心立方(110)面面心立方(111)面密排六方底面當(dāng)前32頁(yè)，總共64頁(yè)。面心立方晶格與密排六方晶格密排面的堆垛順序密排六方晶格的堆垛順序?yàn)锳BABAB…面心立方晶格的堆垛順序?yàn)锳BCABCABC…當(dāng)前33頁(yè)，總共64頁(yè)。面心立方晶格的原子堆垛當(dāng)前34頁(yè)，總共64頁(yè)。2、實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)變形金屬晶粒尺寸約1~100m，鑄造金屬可達(dá)幾mm。純鐵組織晶粒示意圖⑴單晶體與多晶體單晶體：其內(nèi)部晶格方位完全一致的晶體。多晶體：晶粒：實(shí)際使用的金屬材料是由許多彼此方位不同、外形不規(guī)則的小晶體組成，這些小晶體稱為晶粒。當(dāng)前35頁(yè)，總共64頁(yè)。沿晶斷口鉛錠宏觀組織當(dāng)前36頁(yè)，總共64頁(yè)。晶界：晶粒之間的交界面。晶粒越細(xì)小，晶界面積越大。多晶體：由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)。光學(xué)金相顯示的純鐵晶界多晶體示意圖當(dāng)前37頁(yè)，總共64頁(yè)。⑵晶體缺陷晶格的不完整部位稱晶體缺陷。實(shí)際金屬中存在著大量的晶體缺陷，按形狀可分三類，即點(diǎn)、線、面缺陷。當(dāng)前38頁(yè)，總共64頁(yè)。①點(diǎn)缺陷

空間三維尺寸都很小的缺陷。空位間隙原子置換原子當(dāng)前39頁(yè)，總共64頁(yè)。a.

空位：晶格中某些缺排原子的空結(jié)點(diǎn)。b.

間隙原子：擠進(jìn)晶格間隙中的原子。可以是基體金屬原子，也可以是外來原子。體心立方的四面體和八面體間隙當(dāng)前40頁(yè)，總共64頁(yè)。c.

置換原子：

取代原來原子位置的外來原子稱置換原子。點(diǎn)缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱晶空位間隙原子大置換原子小置換原子格畸變。從而使強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降。當(dāng)前41頁(yè)，總共64頁(yè)。空位和間隙原子引起的晶格畸變當(dāng)前42頁(yè)，總共64頁(yè)。②線缺陷—晶體中的位錯(cuò)位錯(cuò)：晶格中一部分晶體相對(duì)于另一部分晶體發(fā)生局部滑移，滑移面上滑移區(qū)與未刃型位錯(cuò)

螺型位錯(cuò)滑移區(qū)的交界線稱作位錯(cuò)。分為刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。當(dāng)前43頁(yè)，總共64頁(yè)。刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)刃位錯(cuò)的形成當(dāng)前44頁(yè)，總共64頁(yè)。刃型位錯(cuò)：當(dāng)一個(gè)完整晶體某晶面以上的某處多出半個(gè)原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個(gè)多余原子面的邊緣就是刃型位錯(cuò)。半原子面在滑移面以上的稱正位錯(cuò)，用“┴”表示。半原子面在滑移面以下的稱負(fù)位錯(cuò)，用“┬”表示。當(dāng)前45頁(yè)，總共64頁(yè)。位錯(cuò)密度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)所包含的位錯(cuò)線總長(zhǎng)度。=S/V(cm/cm3或1/cm2)金屬的位錯(cuò)密度為104~1012/cm2位錯(cuò)對(duì)性能的影響：金屬的塑性變形主要由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起，（要使變形繼續(xù)進(jìn)行，必須增加外力）因此阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是強(qiáng)化金屬的主要途徑。金屬晶須退火態(tài)(105-108/cm2)

加工硬化態(tài)(1011-1012/cm2)

當(dāng)前46頁(yè)，總共64頁(yè)。電子顯微鏡下的位錯(cuò)透射電鏡下鈦合金中的位錯(cuò)線(黑線)高分辨率電鏡下的刃位錯(cuò)（白點(diǎn)為原子）當(dāng)前47頁(yè)，總共64頁(yè)。電子顯微鏡下的位錯(cuò)觀察當(dāng)前48頁(yè)，總共64頁(yè)。③面缺陷—晶界與亞晶界晶界是不同位向晶粒的過度部位，寬度為5~10個(gè)原子間距，位向差一般為20~40°。當(dāng)前49頁(yè)，總共64頁(yè)。亞晶粒大角度和小角度晶界位錯(cuò)壁亞晶粒是組成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(10’~2)的小晶塊。亞晶粒之間的交界面稱亞晶界。亞晶界也可看作位錯(cuò)壁。當(dāng)前50頁(yè)，總共64頁(yè)。晶界的特點(diǎn)：①

原子排列不規(guī)則。②

熔點(diǎn)低。③

耐蝕性差。④

易產(chǎn)生內(nèi)吸附，外來原子易在晶界偏聚。⑤

阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，是強(qiáng)化部位，因而實(shí)際使用的金屬力求獲得細(xì)晶粒。⑥

是相變的優(yōu)先形核部位

顯微組織的顯示當(dāng)前51頁(yè)，總共64頁(yè)。實(shí)際金屬中的缺陷對(duì)材料

力學(xué)性能的影響如下：點(diǎn)缺陷的存在，提高了材料的硬度和強(qiáng)度，降低了材料的塑性和韌性，增加位錯(cuò)密度可提高金屬?gòu)?qiáng)度，但塑性隨之降低面缺陷能提高金屬材料的強(qiáng)度和塑性細(xì)化晶粒是改善金屬力學(xué)性能的有效手段當(dāng)前52頁(yè)，總共64頁(yè)。1.2、合金的晶體結(jié)構(gòu)合金是指由兩種或兩種以上元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。組成合金的元素可以是全部是金屬，也可是金屬與非金屬。組成合金的元素相互作用可形成不同的相。Al-Cu兩相合金黃銅當(dāng)前53頁(yè)，總共64頁(yè)。所謂相是指金屬或合金中凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同，并與其它部分有界面分開的均勻組成部分。（液相和固相）顯微組織實(shí)質(zhì)上是指在顯微鏡下觀察到的金屬中各相或各晶粒的形態(tài)、數(shù)量、大小和分布的組合。固態(tài)合金中的相分為固溶體和金屬化合物兩類。單相合金兩相合金當(dāng)前54頁(yè)，總共64頁(yè)。⑴固溶體合金中其結(jié)構(gòu)與組成元素之一的晶體結(jié)構(gòu)相同的固

相稱固溶體。習(xí)慣以、、表示。與合金晶體結(jié)構(gòu)相同的元素稱溶劑。其它元素稱溶質(zhì)。固溶體是合金的重要組成相，實(shí)際合金多是單相固溶體合金或以固溶體為基的合金。按溶質(zhì)原子所處位置分為置換固溶體和間隙固溶體。Cu-Ni置換固溶體Fe-C間隙固溶體當(dāng)前55頁(yè)，總共64頁(yè)。①

置換固溶體溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格某些結(jié)點(diǎn)位置所形成的固溶體。溶質(zhì)原子呈無序分布的稱無序固溶體，呈有序分布的稱有序固溶體。黃銅置換固溶體組織當(dāng)前56頁(yè)，總共64頁(yè)。②

間隙固溶體溶質(zhì)原子嵌入溶劑晶格間隙所形成的固溶體。形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素是原子半徑較小的非金

屬元素，如C、N、B等，而溶劑元素一般是過渡族元素。形成間隙固溶體的一般規(guī)律為r質(zhì)/r劑<0.59。間隙固溶體都是無序固溶體。當(dāng)前57頁(yè)，總共64頁(yè)。③

固溶體的溶解度溶質(zhì)原子在固溶體中的極限濃度。溶解度有一定限度的固溶體稱有限固溶體。組成元素?zé)o限互溶的固溶體稱無限固溶體。組成元素原子半徑、電化學(xué)特性相近，晶格類型相同的置換固溶體，才有可能形成無限固溶體。間隙固溶體都是有限固溶體。Cu-Ni無限固溶體Cu-Zn有限固溶體固溶體化合物當(dāng)前58頁(yè)，總共64頁(yè)。④

固溶體的性能隨溶質(zhì)含量增加,固溶體的強(qiáng)度、硬度增加,塑性、韌性下降—固溶強(qiáng)化。產(chǎn)生固溶強(qiáng)化的原因是溶質(zhì)原子使晶格發(fā)生畸變及對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用。與純金屬相比，固溶體的強(qiáng)度、硬度高，塑性、韌性低。但與化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韌性則要高得多。當(dāng)前59頁(yè)，總共64頁(yè)。⑵金屬化合物合金中其晶體結(jié)構(gòu)與組成元素的晶體結(jié)構(gòu)均不相同的固相稱金屬化合物。金屬化合物具有較高的熔點(diǎn)、硬度和脆性，并可用分子式表示其組成。鐵碳合金中的Fe3C當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬化合物時(shí)，可提高其強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但降低塑性。金屬化合物也是合金的重要組成相。當(dāng)前60頁(yè)，總共64頁(yè)。①

正常價(jià)化合物—符合正常原子價(jià)規(guī)律。如Mg2Si②

電子化合物—符合電子濃度規(guī)律。如Cu3Sn。

電子濃度為價(jià)電子數(shù)與原子數(shù)的比值。③間隙化合物—由過渡族元素與C、N、B、H等小原子半徑的非金屬元素組